А – ромбическая сингония - 3 L23PC; б – тригональная сингония -L33L24P
Рис. 2 Симметрия кубической решетки, 3L44L36L29PC
Несмотря на кажущееся разнообразие огранки кристаллов, всего существует только 32 вида симметрии, сведенные в специальную таблицу (см. таблицу).
| Категория | Сингонии | Виды симметрии | ||||||
| Примитивный | Центральный | Планальный | Аксиальный | Планаксиальный | Инверсионно- примитивный | Инверсионно- планальный | ||
| Низшая | Триклинная | L1 | С | |||||
| Моноклинная | Р | L2 | L2РС | |||||
| Ромбическая | L22Р | 3L2 | 3L23РС | |||||
| Средняя | Тригональная | L3 | L3С | L33Р | L33L2 | L33L23РС | ||
| Тетрагональная | L4 | L4РС | L44Р | L44L2 | L44L25РС | Li4 | Li4 2L22Р | |
| Гексагональная | L6 | L6РС | L66Р | L66 L2 | L66 L27РС | Li6= L3Р | Li63L23Р= L33L24Р | |
| Высшая | Кубическая | 4L33L2 | 4L33L23РС | 4L33L26РС | 3L44L36L2 | 3L44L36L29РС |
Таблица 32-х видов симметрии
В этой таблице имеются вертикальная и горизонтальная градации в распределении видов симметрии. В вертикальных столбцах собраны виды с однотипным сочетанием основных элементов симметрии, по наличию которых выделяются соответствующие классы (примитивный, центральный, планальный, аксиальный и др.). При описании симметрии природных кристаллов-минералов с целью их диагностики эти классы существенной роли не играют. Зато горизонтальная градация кристаллографических формул в этом отношении имеет принципиальное значение.
По горизонтали таблицы виды симметрии разбиты на сингонии и категории симметрии. В основе деления на категории симметрии лежит понятие о единичном направлении. Единичным направлением в кристалле называется единственное, не повторяющееся направление. Повторяющиеся (аналогичные) направления называются симметрично-равными. В соответствии с числом имеющихся в кристалле единичных направлений он может быть отнесен к низшей, средней или высшей категории симметрии.
В кристаллах низшей категории симметрии обязательно наличие нескольких единичных (единственных, не повторяющихся) направлений, минимальное число которых три. Примером формы такого кристалла является спичечный коробок, в котором имеется три неповторяющихся различных измерения – ширина, толщина и высота.
В кристаллах средней категории симметрии присутствует только одно единичное направление, всегда совпадающее с главной осью симметрии кристалла (L3, L4 или L6 ). Вдоль этой оси (этого направления) кристалл средней категории симметрии либо вытянут, подобно карандашу, либо сплющен – подобно таблетке. Перпендикулярные и наклонные к этому направлению другие направления обязательно будут симметрично-равными и повторяются согласно порядку главной оси кристалла.
Наконец, в кристаллах высшей категории симметрии единичные направления отсутствуют. Здесь любое направление имеет аналогичные симметрично-равные. Такие кристаллы правильно - изометричны, одинаково развитые в трех измерениях, их можно вписать в шар. И уж никак они не могут быть ни вытянутыми, ни уплощенными, ни еще какой-либо неправильной формы.
В минералогической практике деление кристаллов на категории симметрии имеет прямое значение для их диагностики. Например, кристаллы, относимые к высшей категории симметрии, не могут быть вытянутыми или сплющенными, поскольку тогда в них появилось бы единичное направление. По этой же причине в таких кристаллах не может быть спайности в одном или двух направлениях, поскольку тогда также определится единичное направление, что невозможно.
Категории симметрии имеют более дробное деление на сингонии,к которым относятся группы видов симметрии, обладающие одним или несколькими сходными элементами симметрии с обязательным учетом осей симметрии порядка выше двух, при одинаковом числе единичных направлений.
Всего выделяется семь сингоний: триклинная, моноклинная и ромбическая – в низшей категории симметрии; тригональная - (орторомбическая), тетрагональная и гексагональная – в средней категории симметрии и единственная – кубическая – в высшей категории симметрии.
Отнесение минерала по симметрии его структуры к одной из сингоний позволяет определять возможные варианты форм его огранки, характерный габитус его кристаллов, прогнозировать особенности анизотропии его физических свойств, что является важным, иногда определяющим, диагностическим признаком.
Симметрия реальных, особенно природных кристаллов, как правило, не совпадает с симметрией идеального кристалла, т. е. симметрией его кристаллической решетки, Постороннее внешнее воздействие на растущий кристалл в период его кристаллизации приводит к искажению его истинной симметрии и возникновению видимой, кажущейся. При этом кристаллическая структура остается неизменной, искажается лишь облик (габитус) кристалла. Такими внешними факторами воздействия могут быть сила тяжести, неравномерность питания растущего кристалла, направленность теплового поля, положение растущего кристалла в полости-кристаллизаторе и т.д..
Таким образом, в процессе роста кристалла постоянно взаимодействуют два момента определяющих его облик – симметрия кристаллической решетки и симметрия среды кристаллизации. Накладываясь друг на друга, они как бы противоборствуют, и потому в реальных кристаллах формируется видимая симметрия, в которой сохраняются лишь те элементы симметрии, которые являются общими для обоих.
Еще раз подчеркнем, что искажение габитуса (видимая симметрия), зависящая от условий кристаллизации кристалла (минерала) не меняет саму кристаллическую структуру, поэтому все свойства кристалла, определяемые его структурой, остаются неизменными и могут служить надежными диагностическими критериями.
Характеризуя симметрию кристаллов, мы неоднократно подчеркивали, что облик ограненного кристалла (габитус) является продуктом взаимодействия внутренней симметрии кристаллической решетки и внешних факторов среды кристаллизации. В зависимости от условий кристаллизации при одной и той же кристалличе6ской структуре могут возникать одиночные монокристаллы либо формироваться поликристаллические агрегаты.
Для образования монокристалла необходимы особые условия, главным, но не единственным среди которых является отсутствие конкуренции. Рост монокристалла осуществляется на одном зародыше (затравке) при полном отсутствии или малом числе других зародышей. Такие условия можно создать в лаборатории, но они редко встречаются в природе (например, гидротермальный синтез монокристаллов кварца на затравках из природного материала в автоклавах – достаточно технологически отработанный производственный процесс). Из других условий роста монокристаллов можно назвать стабильность параметров среды кристаллизации (ТРХ), т. к. любое резкое изменение этих параметров – температуры, давления или химизма среды обязательно вызовет спонтанную ускоренную кристаллизацию и, как следствие, образование зернистого поликристаллического агрегата.
Итак, кристаллы редко встречаются в виде отдельных монокристаллов. Чаще они образуют различные сростки, Сростки могут иметь определенную закономерность в их строении, а могут быть незакономерными. Последние встречаются чаще.
Самым распространенным незакономерным сростком является зернистый агрегат, где все зерна представляют собой кристаллы, не имеющие определенной огранки, различно ориентированные относительно друг друга. Если принять условие, что все зерна имеют одинаковый химический состав и однотипные кристаллические структуры, то говорить о преимуществах во время роста за счет превосходства в кристаллизационной силе какого-либо индивида не приходится. Множество одинаковых зародышей, начав одновременный рост, прекратили его, уткнувшись в другие кристаллические индивиды, образуя зернистую массу, заполняющую все свободное для роста пространство. Не имея возможности свободного развития, зерна не могли реализовать свою способность самоограняться и потому не имеют определенного габитуса, Вместо этого употребляются термины – обликилиформа зерен.
Определяющим фактором формирования облика и размеров зерен являются условия кристаллизации. В принципе, количество вариантов облика (формы) зерен сводится к трем возможным. Зерна могут быть изометричными, вытянутыми или уплощенными. В зависимости от этого формируется агрегат просто зернистый, шестовато-игольчатый или листовато-пластинчатый. Разумеется, возможны всевозможные комбинации этих разностей.
Примерами зернистых агрегатов могут служить жильный кварц, мрамор, волокнистые агрегаты гипса или асбеста, чешуйчатые скопления листочков слюды.
К числу закономерных сростков можно отнести друзы, представляющие собой агрегат ограненных кристаллов, нарастающих на общее основание. Закономерность таких сростков заключается в том, что их формирование подчиняется закону геометрического отбора или закону друз. Суть этого закона сводится к тому, что первоначально произвольно ориентированные зародыши кристаллов начинают свой рост от определенной общей для всех границы - общего основания, но затем преимущественное развитие имеют только те из них, которые ориентированы перпендикулярно основанию. Все прочие разноориентированные индивиды прекращают свой рост, упираясь в соседей. Таким образом, по мере продвижения фронта роста друзового агрегата в нем остается все меньше кристаллических индивидов, пространственная ориентировка которых соответствует закону геометрического отбора (закону друз).
В природных условиях стартовой поверхностью для начала формирования друзы может служить стенка трещины или любая другая, часто искривленная поверхность, что усложняет, но не отменяет реализацию принципа геометрического отбора. Замечательными примерами таких агрегатов являются друзы кристаллов кварца, кальцита, гипса, пирита.
Более строгой закономерностью характеризуются двойниковые сростки.
Двойниками называют сросток двух кристаллов одного вещества, в кристаллических структурах которых имеется плоская сетка, общая для обоих и, таким образом, кристаллическая структура одного индивида переходит в структуру другого. Для большинства минералов такие двойниковые срастания происходят только по определенным плоским сеткам их кристаллических структур, и потому каждый тип двойникового сростка носит свое наименование в форме закона. Для кристаллов кварца, например, характерны двойники по бразильскому, дофинейскому или японскому законам.
Следует различать двойники срастания и двойники прорастания. В первых – индивиды разграничены по плоскости, они как бы соприкасаются друг с другом (например, двойники гипса «ласточкин хвост»). Во вторых – кристаллы насквозь проникают один в другой, соприкасаясь по сложной извилистой поверхности. Например, очень характерны крестообразные двойники прорастания у ставролита. Здесь форма двойников отражается даже в самом названии минерала («ставрос» - крест).
В двойниковом срастании могут принимать участие несколько кристаллов. В таком случае возникают более сложные агрегаты – тройники, четверники и т.д. Среди подобных сростков очень характерны коленчатые двойники рутила.
В некоторых случаях имеется целая серия кристаллов, сросшихся так, что каждые два соседних ориентируются относительно друг друга в двойниковом положении, а кристаллы, следующие через один, являются взаимно параллельными. Такие множественные двойники называются полисинтетическими. Они особенно характерны у плагиоклазов, позволяя под микроскопом легко отличать их от других полевых шпатов.
Двойники образуются либо в процессе кристаллизации как следствие взаимодействия родственных кристаллических решеток, либо могут возникать в результате механической деформации уже сформированного кристалла.
Согласно данному выше определению двойники – это закономерные сростки кристаллов одного вещества через общую плоскую сетку в их кристаллических структурах. Значительно реже встречаются сростки кристаллов различных веществ, построенные по тому же принципу. То есть, при индивидуальности их кристаллических структур, находится плоская сетка, по своим параметрам удовлетворяющая обе структуры. Такое, подобное двойниковому срастание кристаллов, но различных веществ называется эпитаксия.
В природных кристаллических агрегатах можно обнаружить и более сложные сростки - расщепленные кристаллы, радиально-лучистые или параллельно-шестоватые образования. Обычно морфология таких сростков определяется условиями кристаллизации и порой может служить типоморфным критерием при расшифровке генезиса минерального агрегата.
Как уже говорилось, тезис – кристаллы способны самоограняться реализуется не всегда. Для роста полноценного полностью ограненного кристалла нужны определенные «льготные» условия, куда относятся оптимальные для каждого кристаллического вещества физико-химические параметры среды кристаллизации – температура, давление, химизм. Если по поводу температуры и давления все более или менее ясно, то химизм – понятие более емкое. Сюда относится не только химический состав среды кристаллизации (раствора, расплава), но и такие показатели как кислотность или щелочность, концентрация, пересыщение и другие критерии, управляющие процессом роста кристалла. В природных условиях идеальное сочетание всех необходимых факторов – явление редкое, поэтому возникают различные искаженные формы, а иногда вместо правильно ограненного кристалла может образоваться скелет. Скелеты – это вершинные и реберные формы роста кристаллов, у которых преимущественное развитие имеют лишь отдельные элементы ограничения. Скелетные формы известны у многих минералов, но особенно они характерны для самородных металлов, окислов и гидроокислов.
Как правило, скелетный кристалл развивается в условиях быстрого роста и высокой степени пересыщения кристаллообразующей среды. Атомы присоединяются быстрее к выступающим частям растущего кристалла – ребрам, вершинам, чем к центральным участкам кристаллических граней, а это ведет к появлению либо ветвистых древовидных форм, либо полых кристаллов со ступенчатыми углублениями на гранях и выступающими ребрами.
Одной из возможных причин образования скелетных кристаллов может быть наличие в растворе примесей, не входящих в кристалл, но оседающих на его гранях. Концентрация таких примесей в центре граней больше, чем у вершин и ребер, поэтому и рост у этих элементов ограничения идет быстрее. Кроме того, примеси способствуют увеличения вязкости растворов, что также сказывается на особенностях питания растущего кристалла.
Сложные комбинации скелетных образований называются дендритами. Дендриты – это тоже результат вершинного и реберного роста кристаллов, но обычно идущего при неравномерной диффузии вещества к растущему кристаллу. Такие ветвящиеся кристаллы по виду напоминают растения, откуда и название агрегата. Примерами дендритов могут служить морозные узоры на оконных стеклах, ветвящиеся образования гидроокислов железа или марганца на поверхности стенок трещин в породе и древовидные агрегаты самородных металлов (меди, золота).
Самородные металлы вообще исключительно редко образуют полногранные кристаллы, а дендритные образования – обычная форма их нахождения в коренных месторождениях.
Итак, морфология минеральных индивидов, а иногда и минеральных агрегатов определяются как кристаллическими структурами минералов, так и условиями их кристаллизации. Поэтому габитус ограненных кристаллов, облик их зерен и строение кристаллических агрегатов являются важными источниками информации при полевых исследованиях, как в плане диагностики самих минералов, так и интерпретации особенностей их генезиса и вторичного преобразования.
Проектное задание: Поясните, как облик ограненного кристалла определяется категорией его симметрии? Может ли в кристаллах кубической сингонии спайность отсутствовать вообще?
Контрольные вопросы для самопроверки усвоения материала.
1. Что следует понимать под «симметрией кристаллов»?
2. Перечислите основные элементы симметрии, с помощью которых можно описать симметрию кристалла?
3. Что такое вид симметрии?
4. Сколько существует всего видов симметрии?
5. Что такое сингония? Сколько всего имеется сингоний и как они называются?
6. Что такое «единичное направление» в кристалле?
7. Как называются другие, неединичные направления?
8. Какова связь между числом единичных направлений и категорией симметрии?
9. Каковы внешние признаки кристаллов, относящихся к различным категориям симметрии?
10. Почему в кристаллах высшей категории симметрии (кубическая сингония) не может быть спайности в одном или в двух направлениях?
11. Почему видимая симметрия кристаллов часто не совпадает с их истинной симметрией?
12. Что такое друза? В чем закономерность ее строения?
13. Что такое «двойник»? Чем он отличается от других сростков кристаллов?
14. Каков механизм возникновения «скелетных кристаллов»? Где Вы встречали такие кристаллы?
15. Что такое «дендрит»? Почему он так называется?
Рекомендуемая литература.
1. Попов Г.М., Шафрановский И.И. Кристаллография.-М.: Высшая школа, 1972.
Стр. – 66-92, 124, 129-146, 161-180.
2. Шаскольская М.П. Кристаллография –М.: Высшая школа, 1984.
Стр. – 31-40, 350-356.
3. Буллах А.Г. Минералогия с основами кристаллографии. –М.: Недра, 1989.
Стр. – 42-44, 48-66.
Лекция (модуль) 3 2 часа
Дата добавления: 2015-06-27; просмотров: 5302;